陳佳

摘 要：認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域和寬帶通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，被認(rèn)為是提高網(wǎng)絡(luò)整體性能及端到端系統(tǒng)性能，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理，解決網(wǎng)絡(luò)自律性的新途徑，是下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文著重介紹了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在幾種應(yīng)急通信環(huán)境下的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)急通信；環(huán)境感知；智能決策；網(wǎng)絡(luò)重置

1 前言

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)（cognitive network，CN）是近幾年比較熱門的研究領(lǐng)域，在學(xué)術(shù)界也有人將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)稱為自律網(wǎng)絡(luò)（self-aware network），無論是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)還是自律網(wǎng)絡(luò)，它的目標(biāo)都是從根本上改變網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)管理的設(shè)計(jì)理念，將主動(dòng)管理和主動(dòng)感知應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)管理中去，以此來應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)特別是無線網(wǎng)絡(luò)日益增加的復(fù)雜性、異質(zhì)性和可靠性要求。

2 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)理論體系

2005年，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)的W.Thomas在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，提出了較為準(zhǔn)確的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)定義：認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)具有感知當(dāng)前內(nèi)外環(huán)境變化和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的能力，根據(jù)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的整體目標(biāo)及端到端目標(biāo)，通過適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)機(jī)制，利用感知的環(huán)境信息和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)配置，達(dá)到智能地適應(yīng)環(huán)境變化并能指導(dǎo)未來自主決策的目的。

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是從人的心理學(xué)認(rèn)知特性出發(fā)，以系統(tǒng)工程方法論、信息處理和人工智能為基礎(chǔ)，圍繞認(rèn)知將環(huán)境感知、數(shù)據(jù)挖掘、智能決策與網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)配置緊密結(jié)合在一起。在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)理論體系中，環(huán)境感知、數(shù)據(jù)挖掘、智能決策與網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)配置存在緊密的內(nèi)在邏輯性。其中，環(huán)境感知包括對(duì)無線環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的感知。幾者間的關(guān)系可描述為：環(huán)境感知為數(shù)據(jù)挖掘提供基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)挖掘?yàn)橹悄軟Q策提供依據(jù)；智能決策確定了網(wǎng)絡(luò)重置的具體目標(biāo)；網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的實(shí)施使得網(wǎng)絡(luò)能夠動(dòng)態(tài)地適應(yīng)環(huán)境。

3 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)急通信環(huán)境下的應(yīng)用

3.1 城市突發(fā)事件

場(chǎng)景：火災(zāi)和大型交通事故

救援人員：公安、消防、醫(yī)療

問題：各個(gè)救援機(jī)構(gòu)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后只有迅速、準(zhǔn)確地了解現(xiàn)場(chǎng)情況才能夠成功處理突發(fā)事件，這時(shí)每個(gè)救援機(jī)構(gòu)往往都會(huì)部署自己的應(yīng)急無線通信網(wǎng)絡(luò)，由于供應(yīng)急通信使用的頻譜資源有限，這些機(jī)構(gòu)將競(jìng)爭(zhēng)使用這些稀缺的無線資源，從而造成嚴(yán)重的通信干擾，進(jìn)而妨礙救援行動(dòng)。

處理：改造升級(jí)各機(jī)構(gòu)的應(yīng)急無線通信網(wǎng)絡(luò)，使其具備認(rèn)知能力，以便協(xié)調(diào)多個(gè)機(jī)構(gòu)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的行動(dòng)，準(zhǔn)確、及時(shí)地傳遞各種應(yīng)急信息。各部門應(yīng)急人員攜帶的認(rèn)知無線電臺(tái)通過自適應(yīng)頻譜感知來檢測(cè)和收集活動(dòng)的無線電臺(tái)的位置和發(fā)射頻率信息，并通過動(dòng)態(tài)頻譜接入（DSA）來優(yōu)化使用頻譜資源，從而提高頻譜利用率。并可在一定程度上避免各救援機(jī)構(gòu)之間的通信干擾。另外，認(rèn)知應(yīng)急通信系統(tǒng)能夠隨網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以保證不同用戶和應(yīng)用按照其重要程度使用網(wǎng)絡(luò)資源，并確保重要業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

3.2 自然災(zāi)害救援

環(huán)境：地震災(zāi)區(qū)

人員：救援、醫(yī)療人員

問題：當(dāng)大型自然災(zāi)害發(fā)生后，事發(fā)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施會(huì)遭受嚴(yán)重?fù)p毀，且呼往震區(qū)的通信業(yè)務(wù)量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)劇增，很容易造成現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的擁塞，甚至癱瘓。這使得地震災(zāi)區(qū)的大量災(zāi)情信息不能及時(shí)向外傳遞，外部指揮機(jī)構(gòu)和救援人員也無法及時(shí)有效地開展救援工作

處理：認(rèn)知處理引擎對(duì)實(shí)時(shí)收集的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息進(jìn)行分析，基于掉話率、通話時(shí)延等性能指標(biāo)以及基站退服和光纜中斷等告警信息來判斷地震災(zāi)害的破壞程度，然后通過限制呼入災(zāi)區(qū)的呼叫量和調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的參數(shù)來確保應(yīng)急通信指揮的順暢進(jìn)行。另外，可根據(jù)功能職責(zé)的不同將應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的應(yīng)急救援簇，如警察、消防員和醫(yī)護(hù)人員簇等。在搶險(xiǎn)過程中，每個(gè)簇協(xié)作完成特定的任務(wù)。采用網(wǎng)絡(luò)分簇方法具有眾多優(yōu)勢(shì)，即有效的數(shù)據(jù)聚集、短的通信范圍、減少?zèng)_突和競(jìng)爭(zhēng)、降低路由開銷和便于網(wǎng)絡(luò)同步等。其中一個(gè)簇與指揮網(wǎng)絡(luò)相連，指揮網(wǎng)絡(luò)可以連接到外部網(wǎng)絡(luò)。各簇之間的通信通常需要借助于指揮網(wǎng)絡(luò)，可以使用各種無線技術(shù)。

3.3 森林火情監(jiān)控

環(huán)境：林場(chǎng)

問題：需要實(shí)時(shí)監(jiān)控

處理：在重要的林場(chǎng)部署具有認(rèn)知能力的無線傳感網(wǎng)來預(yù)警和監(jiān)視火情。具有認(rèn)知能力的無線傳感網(wǎng)（C-WSN）由傳感器節(jié)點(diǎn)、中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有頻譜感知和信道選擇的認(rèn)知能力，傳感器節(jié)點(diǎn)可以選擇空閑信道將感知信息發(fā)送給轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)同時(shí)利用其他空閑信道繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，直到到達(dá)匯集節(jié)點(diǎn)，提高了空閑信道的利用率。采用多頻多跳的組網(wǎng)方式可以利用認(rèn)知無線電技術(shù)進(jìn)行高效的頻譜分配，從而降低相鄰節(jié)點(diǎn)無線傳輸?shù)南嗷ジ蓴_，增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟l(fā)性，解決傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)信道利用率不高的問題。另外，考慮這種傳感網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大且節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，適合采用分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知簇內(nèi)傳感節(jié)點(diǎn)的位置、發(fā)射功率和工作頻率，并于鄰近簇頭交互信息，從而有效地管理和協(xié)調(diào)傳感節(jié)點(diǎn)的行動(dòng)，提升網(wǎng)絡(luò)整體性能。

目前，對(duì)具有認(rèn)知能力的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)研究剛剛起步，還存在很多有待解決的問題。必須從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)，充分挖掘包括認(rèn)知無線電、認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)、無線自組網(wǎng)、協(xié)同通信等新興優(yōu)勢(shì)技術(shù)的潛能，建立動(dòng)態(tài)資源感知接入空間與地面結(jié)合、有線與無線結(jié)合、固定與機(jī)動(dòng)結(jié)合的自適應(yīng)立體應(yīng)急通信系統(tǒng)，最大限度地發(fā)揮應(yīng)急通信為社會(huì)服務(wù)的效能。

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